摩擦力:一种自然力

对于拉紧螺栓而言,摩擦力是一个不容小觑的因素。螺栓接头中一直都存在摩擦力,它可能是引起问题的一部分原因,也可用来解决问题。

摩擦力是当两个物体相互接触时出现的一种力。它与所有运力相对立。无论物体朝哪个方向移动,摩擦力都朝另一个方向拖拉着物体。

但是,我们需要摩擦力。没有摩擦力,我们就无法行走,也无法坐在椅子上或者爬楼梯。所有事物都只是不停地到处滑动。

Frank Naumann是德国紧固件协会前常务董事,在摩擦力领域拥有50多年的专业经验,他解释摩擦力在螺栓连接是一直都存在的现象。一方面,它限制了将扭矩转换为所需的预紧力的效率;另一方面,对于保持接头中的预紧力以防部件松脱来说,它又是必不可少的

Naumann说:“有两个系数描述了紧固过程中旋转部件之间的摩擦力。第一个是螺丝头或螺母下的轴承面之间的摩擦力系数µb(µb=垫圈摩擦力);第二个是螺纹之间的摩擦力系数µth(µth=螺纹摩擦力)。这两种摩擦力都会消耗大量的能量,并且将能量转化成无用的热能。例如,如果µb=µth=0.10,则只有16%的的扭矩转化成了预紧力。而人们可以通过控制润滑作用来影响系数的大小。在汽车行业,使用的区间大多在0.08至0.16之间。”

在螺栓连接方面,摩擦力有时既可用来解决问题,也可能是引起问题的一部分原因。当然,螺栓的夹紧力主要由紧固螺栓所需的扭矩决定,但同时也受到多方面的影响,例如螺栓的直径和长度、螺纹的形状,当然不能忘记的是,存在于螺纹中及螺栓头和螺母下的摩擦系数。

在计算紧固扭矩和所产生的螺栓张力和应力时,以及计算连接方面之间所产生的摩擦力时,摩擦系数是必要的。

然而,图表中所示的摩擦系数的近似值仅是代表值,应对照其他信息来源及适合的测试对其进行证实。

扭矩值依赖于摩擦力,存在于螺纹中和被拧紧的螺栓头和螺母,与紧固材料或垫圈(如使用)之间。实际上,在紧固过程中,几乎所有输入能量都损失在克服螺栓头、螺母和螺纹下的摩擦力上。仅一小部分扭矩转化为夹紧力载荷或张力。

扭矩扳手无法直接衡量螺栓中的预紧力。施加扭矩时,必须克服螺栓头和螺母(取决于哪端被扭转)下,以及螺纹中的摩擦。

所施加的扭矩大部分(50%左右)会损失在克服施加扭矩的螺栓头和螺母下的摩擦上,而约40%的扭矩损失在克服螺纹的摩擦上,仅剩10%的扭矩有效作用与拉伸螺栓和提供预紧力。

增加摩擦力是避免螺栓松脱的常用方法,最常见的例子包括采用变形螺纹,或尼龙防松螺母,或使用锯齿形 / 齿形 / 星形垫圈。就这些解决方案而言,摩擦力锁紧的原理在于增加螺纹中或螺栓头和落幕下的摩擦力。

但是,如扭力、咬粘和金属磨损这类因素,会对这些基于摩擦力的解决方案造成负面影响。

在基于摩擦力的锁紧方法中,增加接头中的扭转应力也可能造成问题。高扭力可能会导致紧固件低于估计的预紧力下委屈损坏。而由于摩擦条件不均匀,可能无法达到所需的预紧力。

由不锈钢、铝、钛和其他合金制成的紧固件,同样可能发生不可预知的螺纹磨损(冷焊)。紧固螺栓时,由于螺纹的接触面和滑动面的压力不断增加,因此螺纹在紧固件的紧固过程中可能会出现磨损。

在极端情况下,金属磨损会造成咬粘,也就是螺纹和螺栓锁死,而固定在一起。继续拧紧可能导致紧固件拧断或螺纹撕裂。

润滑油通常被用来减少摩擦力和获得均匀的夹紧力载荷。时常润滑内外螺纹可以消除螺纹磨损。

Dörken产品经理Michael Stähler表示,目前的趋势是在螺栓或螺母上涂敷合适的涂层,该涂层专为执行预期的工作而设计。实际上,这种涂层含有润滑油;涂敷涂层后已无需再单独进行润滑,因为这是多此一举。另外,这种涂层对温度不稳定,可导致接头自行松动。

然而,润滑油将显著减弱、甚至消除任何基于摩擦力的锁紧方法的锁紧效能。因此润滑油决不能与基于摩擦力的锁紧方法联合使用,因为润滑油会减弱锁紧效能。

控制夹紧载荷是非常重要的,可通过减少摩擦系数的不稳定性予以实现。当采用螺栓接头解决方案时,若并非基于摩擦力进行锁紧,则可以使用润滑油。

通过润滑油减小摩擦力,我们可提高对预紧力的控制和减少摩擦系数的不稳定性。这样一来就可以使螺栓达到满载状态,并延长螺栓接头的生命周期。因疲劳磨损导致的螺栓失效会引起令人懊恼的生产停工。

Nord-Lock针对摩擦力的创新解决方案

Nord-Lock垫圈用张力而不是摩擦力来紧固螺栓接头。此垫圈的设计可产生一种楔形效应,我们在拧松螺栓时观测到张力增加,以此印证这种效应。

这种楔形效应可避免螺纹振动或冲击引起的松动。由于接触面之间的正常沉降现象,螺栓只会在初期流失小部分的预紧力。

在安全锁紧螺栓的同时减少螺纹摩擦力常常被认为是不可能的。然而,凭借Nord-Lock基于张力的楔入式锁紧方法及润滑油的帮助,让不可能变成可能。

Nord-Lock应用工程师Lena Kalmykova表示:“楔入式锁紧方法是基于张力而非摩擦力。最常见的楔入式锁紧系统就是一对有凸轮的垫圈,该凸轮隆起部位的高度比螺栓的螺距还大。垫圈正确的安装方法是将凸轮面与凸轮面相对安装。当螺栓 / 螺母被拧紧时,轮齿咬合并锁紧啮合面,只允许在凸轮面上运动。螺栓 / 螺母的任何旋转被凸轮的楔入效应所阻挡。楔入式锁紧能力不受润滑油的影响。此外,通过使用这种垫圈,你还能充分发挥每个螺栓的全部性能。”

有关摩擦的事实

摩擦取决于表面的特性——平、圆或粗糙的程度。摩擦同样也取决于表面所处的介质——是湿的还是干的,或者介质中的粒子。

这是一个多学科领域,因其涉及如机械、化学及流体动力学等领域。只有达到原子层次,你才能对摩擦有充分、详细的认识。

滑动摩擦的经典规则最先是由列奥纳多-达-芬奇发现,后又被纪尧姆-阿蒙东(Guillaume Amontons)重新发现。阿蒙东从表面的不平整性,及提起压合表面的重量所需的力量出发,提出了摩擦力的性质。

上个世纪,在微观水平上已证明,实际接触面积只是表观接触面积的一小部分。原子力显微镜的发展已使科学家在原子尺度来研究摩擦力。

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